核酸検出センサ、核酸検出チップ及び核酸検出装置
【課題】ＦＥＴ（field-effect transistor）を用いた核酸検出センサにおいて感度を飛躍的に向上させる。
【解決手段】ＦＥＴの特性変調の強度に基づいて検体中に含まれる特定の配列を有した標的核酸分子１０９を検出するための核酸検出センサにおいて、前記ＦＥＴのゲート１０１に、前記標的核酸分子とハイブリダイゼーションすることが可能なプローブ核酸分子１０２を少なくとも１つ固定化し、ε０を真空の誘電率、εｒをチャネル領域の比誘電率、ｋＢをボルツマン定数、ＴをＦＥＴのチャネル領域の絶対温度、ｅを素電荷、ｎをキャリア密度とすると、前記ＦＥＴのゲート幅が（ε０εｒｋＢＴ／ｅ２ｎ）１／２のオーダとなる。
【解決手段】ＦＥＴの特性変調の強度に基づいて検体中に含まれる特定の配列を有した標的核酸分子１０９を検出するための核酸検出センサにおいて、前記ＦＥＴのゲート１０１に、前記標的核酸分子とハイブリダイゼーションすることが可能なプローブ核酸分子１０２を少なくとも１つ固定化し、ε０を真空の誘電率、εｒをチャネル領域の比誘電率、ｋＢをボルツマン定数、ＴをＦＥＴのチャネル領域の絶対温度、ｅを素電荷、ｎをキャリア密度とすると、前記ＦＥＴのゲート幅が（ε０εｒｋＢＴ／ｅ２ｎ）１／２のオーダとなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＦＥＴ（field-effect transistor）を用いて、検体中に含まれる標的核酸分子を検出する核酸検出センサ、核酸検出チップ及び核酸検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ＦＥＴを用い検体中に標的核酸分子が含まれるか否かを検出する核酸分子検出のための核酸検出用センサが存在している（例えば、非特許文献１、特許文献１、２参照）。
【非特許文献１】坂田利弥 他、「遺伝子トランジスタによるＤＮＡハイブリダイゼーションの検出」、第６４回応用物理学会講演会予稿集、Ｐ．１１７９（２００３）
【特許文献１】特開２００３−３２２６３３公報
【特許文献２】特表平２００１−５１１２４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、従来の技術では、ＦＥＴを使って、核酸分子１個レベルの信号を効率的に検出する方法や、広い範囲の濃度領域での定量分析を行う手法は明示されていない。
【０００４】
本発明は、従来の問題点に鑑み、ＦＥＴを用いた核酸検出センサにおいて、感度を飛躍的に向上させる核酸検出センサ、核酸検出チップ及び核酸検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の核酸検出センサによれば、ＦＥＴ（field-effect transistor）の特性変調の強度に基づいて検体中に含まれる特定の配列を有した標的核酸分子を検出するための核酸検出センサにおいて、前記ＦＥＴのゲートに、前記標的核酸分子とハイブリダイゼーションすることが可能なプローブ核酸分子を少なくとも１つ固定化し、ε０を真空の誘電率、εｒをチャネル領域の比誘電率、ｋＢをボルツマン定数、ＴをＦＥＴのチャネル領域の絶対温度、ｅを素電荷、ｎをキャリア密度とすると、前記ＦＥＴのゲート幅が
（ε０εｒｋＢＴ／ｅ２ｎ）１／２
のオーダとなることを特徴とする。
【０００６】
本発明の核酸検出センサによれば、ＦＥＴ（field-effect transistor）の特性変調の強度に基づいて検体中に含まれる特定の配列を有した標的核酸分子を検出するための核酸検出センサにおいて、前記ＦＥＴのゲートに、前記標的核酸分子とハイブリダイゼーションすることが可能なプローブ核酸分子を少なくとも１つ固定化し、ε０を真空の誘電率、εｒをチャネル領域の比誘電率、ｋＢをボルツマン定数、ＴをＦＥＴのチャネル領域の絶対温度、ｅを素電荷、ｎをキャリア密度とすると、前記ＦＥＴのゲート長が
（ε０εｒｋＢＴ／ｅ２ｎ）１／２
のオーダとなることを特徴とする。
【０００７】
本発明の核酸検出チップによれば、ＦＥＴ（field-effect transistor）の特性変調の強度に基づいて検体中に含まれる特定の配列を有した標的核酸分子を検出するための核酸検出センサにおいて、前記ＦＥＴのゲートに、前記標的核酸分子とハイブリダイゼーションすることが可能なプローブ核酸分子を少なくとも１つ固定化し、ε０を真空の誘電率、εｒをチャネル領域の比誘電率、ｋＢをボルツマン定数、ＴをＦＥＴのチャネル領域の絶対温度、ｅを素電荷、ｎをキャリア密度とすると、前記ＦＥＴのゲート幅が
（ε０εｒｋＢＴ／ｅ２ｎ）１／２
のオーダとなる核酸検出センサを複数備える核酸検出チップにおいて、検出時間をｔ、核酸分子の拡散定数をＤ＝１．６×１０−６ｃｍ２／ｓとすると、前記核酸検出チップ上での単位面積当りの前記核酸検出センサの個数が、（Ｄｔ）−１のオーダとなることを特徴とする。
【０００８】
本発明の核酸検出装置によれば、ＦＥＴ（field-effect transistor）の特性変調の強度に基づいて検体中に含まれる特定の配列を有した標的核酸分子を検出するための核酸検出センサにおいて、前記ＦＥＴのゲートに、前記標的核酸分子とハイブリダイゼーションすることが可能なプローブ核酸分子を少なくとも１つ固定化し、ε０を真空の誘電率、εｒをチャネル領域の比誘電率、ｋＢをボルツマン定数、ＴをＦＥＴのチャネル領域の絶対温度、ｅを素電荷、ｎをキャリア密度とすると、前記ＦＥＴのゲート幅が
（ε０εｒｋＢＴ／ｅ２ｎ）１／２
のオーダとなる核酸検出用センサと、前記核酸検出用センサとは、核酸プローブ分子が異なり、検体に含まれる核酸分子とは相補性のない塩基配列を持った核酸プローブ分子がゲートに固定されたゼロレベル検出用センサと、各前記センサのドレイン端子にそれぞれ接続する２つの容量素子と、予め決められた電圧値で充電された各前記容量素子の電荷を各前記センサに含まれるＦＥＴを介して放電し、各前記ＦＥＴからの放電効率の差を増幅するセンスアンプと、前記放電効率の差に基づいて、核酸検出の有無を判定する判定手段を具備することを特徴とする。
【０００９】
本発明の核酸検出装置によれば、ＦＥＴ（field-effect transistor）の特性変調の強度に基づいて検体中に含まれる特定の配列を有した標的核酸分子を検出するための核酸検出センサにおいて、前記ＦＥＴのゲートに、前記標的核酸分子とハイブリダイゼーションすることが可能なプローブ核酸分子を少なくとも１つ固定化し、ε０を真空の誘電率、εｒをチャネル領域の比誘電率、ｋＢをボルツマン定数、ＴをＦＥＴのチャネル領域の絶対温度、ｅを素電荷、ｎをキャリア密度とすると、前記ＦＥＴのゲート幅が
（ε０εｒｋＢＴ／ｅ２ｎ）１／２
のオーダとなる核酸検出用センサと、前記核酸検出用センサとは、核酸プローブ分子が異なり、検体に含まれる核酸分子とは相補性のない塩基配列を持った核酸プローブ分子がゲートに固定されたゼロレベル検出用センサと、各前記センサに含まれるＦＥＴを入力用のトランジスタとして用いる差動対と、前記差動対に対して共通の参照電圧をかけることにより生ずる差動対の出力電圧の大きさに基づいて、核酸検出の有無を判定する判定手段を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の核酸検出センサ、核酸検出チップ及び核酸検出装置によれば、感度を飛躍的に向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態の核酸検出センサ、核酸検出チップ及び核酸検出装置について詳細に説明する。
本発明の本実施形態の核酸検出装置に含まれる核酸検出用センサ１００はＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide semiconductor field-effect transistor）、基板とからなり、ＭＯＳＦＥＴには核酸プローブ（Probe DNA）１０２が通常、複数取り付けられている。ＭＯＳＦＥＴは、ゲート（gate）１０１、ソース（Source）１０３、ドレイン（Drain）１０４からなり、核酸プローブ分子１０２は、ゲート１０１上に取り付けられる。また、図１に示すように、ソース１０３とドレイン１０４とはボディー１０６を介して接続し、ボディー１０６上にはゲート酸化膜１０５を介してゲート１０１が積層されている。また、ソース１０３、ドレイン１０４、ボディー１０６は、埋め込み酸化膜であるＢＯＸ（Buried Oxide）１０７上に形成されている。図１のように、ＳＯＩ(Silicon On Insulator)構造のウェハを使ってセンサ１００を作製することが可能であるが、もちろんバルクＳｉ基板を用いて同等のものを作製可能であることは、当業者に理解されるであろう。
【００１２】
本実施形態の核酸検出装置では、ＭＯＳＦＥＴの電気的特性の変調の強度に基づいて標的核酸分子を検出したか否かを判定する。本実施形態では、ゲート１０１の形状をソース１０３とドレイン１０４を結ぶ方向に細くする（すなわち、ゲート１０１のゲート幅Ｗを細くする）。この場合、ゲート上で生じた少数の電荷数の変化でもMOSFETの電気的特性の変調が大きく生ずるため、少数の標的核酸分子の検出も可能となる。
【００１３】
さらに、本実施形態では、このＭＯＳＦＥＴのチャネルの長さ（すなわち、図１のゲート長Ｌ）をゲート幅Ｗと同等若しくはＷ以上に長くする。この場合、核酸プローブ分子１０２がゲート長の方向（すなわち、ソース１０３とドレイン１０４を結ぶ方向）に多数固定化されるため、ゲート長の方向のどの位置で核酸プローブ分子１０２と標的核酸分子１０９との結合が起こっても、確実にＭＯＳＦＥＴの変調を誘起することができるようになる。すなわち、多数の核酸プローブ分子１０２による信号の論理和を取ることと等価な演算をすることになる。また、分析される検体の液滴が接触するチップの表面内に、稠密に配置されることにより、多数のプローブのうちのいずれかに結合する確率が高まるため、検体溶液中に少数しか存在しない核酸分子でも迅速に検出することが可能となる。
【００１４】
さらに具体的に、ゲート１０１のゲート長及びゲート幅をどの程度に設定するかを説明する。あるプローブ核酸分子１０２において標的核酸分子１０９の結合が起こると、このゲート１０１側で起きた電荷数の変動は、ゲート酸化膜１０６を介して静電気的にチャネル中の荷電状態の変動を誘起する。いま、ボディー１０６のうちの、チャネルの形成される領域におけるキャリアのデバイ長は、
（ε０εｒｋＢＴ／ｅ２ｎ）１／２ （式１）
で与えられる。ここで、ε０は真空の誘電率、εｒはチャネル領域の比誘電率、ｋＢはボルツマン定数、Ｔはチャネル領域の絶対温度、ｅは素電荷、ｎはキャリア密度を示す。ゲート側での１価の電荷の変動に際し、チャネル中において(式１)で与えられる半径内部の領域では荷電状態が大きく変動することが期待される。
【００１５】
よって、（式１）により算出される拡散距離と同等のゲート１０１のゲート幅及びゲート長を決定すれば、少数の標的核酸分子によって大きなＦＥＴの特性変調が得られるものと考えられる。すなわち、ゲート幅は（式１）により算出される長さのオーダとし、ゲート長も（式１）により算出される長さとする。すなわち、ゲート幅、ゲート長は、（式１）により算出される長さと同じ桁数程度（すなわち、せいぜい１０倍若しくは１／１０程度）の長さに設定される。より好ましくは、ゲート幅は（式１）により算出される長さのオーダとなるようにし、ゲート長はこのゲート幅の長さよりも長くなるようにする。
【００１６】
本実施形態においては、通常のＭＯＳＦＥＴと同等のキャリア密度を持った材料を仮定すると（式１）により算出される長さは約５０ｎｍになるので、この長さを利用して、例えば、ゲート幅を５０ｎｍとする。ゲート幅は、１００ｎｍ程度でも問題はないが、より好ましくは５０ｎｍ程度若しくはそれ以下の長さである。一方、ゲート長は、ゲート幅と同等かそれより長く設定するので、５０ｎｍ程度若しくはそれ以上の長さである。
【００１７】
また、核酸分子の直径はおよそ２ｎｍであるため、核酸プローブ分子１０２を稠密にゲート幅５０ｎｍのゲート１０１上に貼り付けた場合、核酸プローブ分子１０２はチャネルに垂直な方向に２５個程度ずつ配置されることになる。長さが２０塩基対程度の核酸プローブ分子１０２に対し同程度の標的核酸分子１０９が核酸プローブ分子１０２のうちの１つに結合すると、塩基対数と同等の電荷の変化が生じる。この電荷の変化により物理的な特性変化（例えば、ＭＯＳＦＥＴの閾値電圧の変化）は大きく現れるものと期待される。
【００１８】
また、核酸検出用センサ１００はチップ上に複数個配置される。チップ上に核酸検出用センサ１００がどのように配置されるかによって、標的核酸分子を検出する精度が変化する。例えば、分析される検体の液滴が接触するチップの表面内に、核酸検出用センサ１００を稠密に配置することにより、多数のプローブのうちのいずれかに結合する確率が高まるため、検体溶液中に少数しか存在しない核酸分子でも迅速に検出することが可能となる。より好ましくは、このセンサアレイの集積密度は、核酸分子の拡散距離よりも短い間隔でセンサが配置されるように決められる。さらに、標的核酸分子を検出したセンサの個数を集計することにより、標的核酸分子の濃度、あるいは標的核酸分子の分子数を推定することも可能となる。この配置の詳細は後に図５及び図６を参照して説明する。
【００１９】
次に、上述した核酸検出用センサ１００を使用して、標的核酸分子１０９と核酸プローブ分子１０２との結合により誘起されるMOSFETの電気的特性の変調を検出するための核酸検出装置を説明する。この変調は、例えば、閾値電圧値の変動として現れるので、核酸検出装置はこの閾値電圧値の変動を検出することになる。本実施形態では、以下に示すように、この物理現象を検出するための核酸検出装置を２種類提供する。１つは標的核酸分子１０９を検出したか否かをディジタル信号に直接変換して出力するタイプの装置（図２、図４）であり、もう１つは閾値電圧値の変動をアナログ電圧値として出力するタイプの装置（図７，８，９）である。これらの装置の特徴は、標的核酸分子１０９と相補的な塩基配列を持たない核酸プローブ分子を固定したゼロレベル検出用のセンサと核酸検出用センサ１００とを比較しつつ判定を行うことである。この特徴により、標的核酸分子１０９の検出精度を向上することができる。
【００２０】
次に、図１に示した核酸検出用センサ１００を使用して核酸を検出する核酸検出装置の一例を図２を参照して説明する。図２は、クロスカップルドインバータを利用した核酸検出装置の例である。
【００２１】
図２の核酸検出装置は、参照電極２０１、参照電圧電源２０２、充電用電圧源入力端子２０３、充電用スイッチ２０４、２０５、制御パルス入力端子２０６、電源電圧２０７、基準電位２０８、センスアンプ制御スイッチ２０９、蓄積キャパシタ２１０、２１１、出力信号増幅器２１２、２１３、センスアンプ２１４、核酸検出用センサ１００に含まれるＭＯＳＦＥＴ２１５、核酸検出用センサ２００に含まれる２１６、核酸プローブ分子２１７、核酸検出用センサ２００からなる。
【００２２】
図２に示す装置は、核酸プローブ分子１０２が取り付けられた核酸検出用センサ１００に含まれるＭＯＳＦＥＴの閾値電圧の変化が生じたか否かを判定する回路を含むものである。この回路は、フラッシュメモリの読み出し用回路に使われるものと同等の回路であり、フラッシュメモリに用いられるフローティングゲートを有するＭＯＳＦＥＴに相当する部分に核酸検出用のＭＯＳＦＥＴを用いている。また、この回路は、ＭＯＳＦＥＴの表面電位を制御するための参照電極を含んでいる。この核酸検出装置では、参照電極２０１に表面電位を制御される核酸検出用センサ１００は標的核酸分子１０９を結合することが可能な核酸検出用ＭＯＳＦＥＴであり、このセンサと対になる核酸検出用センサ２００は標的核酸分子１０９を結合することができない核酸プローブ分子２１７を取り付けているゼロレベル検出用センサである。ゼロレベル検出用センサ２００は、核酸プローブ分子１０２の代わりに核酸プローブ分子２１７を取り付けていること以外は核酸検出用センサ１００と同様である。
【００２３】
図２の回路では、センスアンプ２１４が、核酸検出用センサ１００上への核酸結合の有無により変化するＭＯＳＦＥＴの閾値電圧の変動の結果として変動する飽和電流の大きさが決定するキャパシタ２１０の放電時間を、ゼロレベル検出用センサ２００の閾値電圧値によって決定するキャパシタ２１０の放電時間と比較する。センスアンプ２１４は、核酸検出用センサ１００とゼロレベル検出用センサ２００とのどちらのセンサが先に電圧を下げるかを感受して、各センサの電圧値の相手に対する高低を出力する。すなわち、センスアンプ２１４は各センサに対応して１、０のディジタル値で出力する。出力された信号は、判定しやすい大きさまで、増幅器２１２、２１３によって増幅される。
核酸検出用センサ１００における核酸検出の有無を０、１のディジタル値に対応させるために、蓄積キャパシタ２１０と蓄積キャパシタ２１１との比は、核酸検出用センサ２００の放電時間が、核酸検出用センサ１００に標的核酸分子１０９が結合した場合としなかった場合の両放電時間のちょうど半分になるように予め設定される。また、放電時間は参照電極電位に依存するので、参照電圧電源２０２も予め設定されなければならない。すなわち、図２の回路を動作させるにあたっては、予め、以下のパラメータを決めておく必要がある。
（１）蓄積キャパシタ２１０と蓄積キャパシタ２１１のキャパシタンスの比
（２）基準電位２０８に対して参照電極２０１の電位を決める参照電圧電源２０２の電圧値
（１）をより詳細に述べると、ハイブリダイゼーション（hybridization、二本鎖形成）が検出される場合の蓄積キャパシタ２１０の放電時間の時定数をτ１’、ハイブリダイゼーションが検出されない場合の蓄積キャパシタ２１０の放電時間の時定数をτ１、蓄積キャパシタ２１１の放電時間の時定数をτ２とおくと、
τ１’＜τ２＜τ１ （式２）
が成立すべきである。ただし、この（式２）は核酸検出用センサ１００のＭＯＳＦＥＴがｎ型でありハイブリダイゼーションによりＭＯＳＦＥＴの閾値電圧値が正の電荷を帯びた挿入剤等の効果により減少する場合を仮定している。挿入剤を用いない場合はｎ型ＭＯＳＦＥＴの閾値は上がることになるため、（式２）の不等号は逆符号となる。さらに好ましくは、τ２がτ１及びτ１’の中間値、
τ２＝（τ１＋τ１’）／２ （式３）
となるように設定するのが望ましい。
【００２４】
これらの（式２）及び（式３）をキャパシタンスの比に換算する。いま、核酸検出用センサ１００とゼロレベル検出用センサ２００のＭＯＳＦＥＴが飽和領域で動作していると仮定すると、核酸検出用センサ１００を流れる電流は、
ｉ＝μＣＷ（ＶＧＳ−Ｖｔｈ）２／Ｌ （式４）
と表される。ここで、ＣはＭＯＳＦＥＴ酸化膜の容量、μは表面チャネル移動度、Ｗはゲート幅、Ｌはゲート長、ＶＧＳはゲート・ソース間、すなわちここでは参照電極３とソース１０３の間の電圧を示す。ＶｔｈはＭＯＳＦＥＴの閾値電圧値を示すが、この閾値電圧値はハイブリダイゼーションを生じている場合であるか否かで変動する。ハイブリダイゼーションが検出される場合の閾値電圧値をＶｔｈ’、検出されない場合の閾値電圧値をＶｔｈとし、それぞれの電圧値に対応する電流をｉ’、ｉとすると、τ’１，τ１，τ２はそれぞれ近似的に、
τ１’＝Ｃ１０Ｖｐｒｅ／ｉ’
τ１ ＝Ｃ１０Ｖｐｒｅ／ｉ （式５）
τ２ ＝Ｃ１１Ｖｐｒｅ／ｉ
と表現される。ここで、Ｃ１０、Ｃ１１はそれぞれ蓄積キャパシタ２１０、蓄積キャパシタ２１１の容量を表し、ＶＰｒｅは充電用電圧源入力端子２０３から入力される電圧値を示す。（式２）に（式４）、（式５）を代入することにより、Ｃ１０とＣ１１が満たすべき条件は次のように定まる。すなわち、
１＜Ｃ１０／Ｃ１１＜（ＶＧＳ−Ｖｔｈ’）２／（ＶＧＳ−Ｖｔｈ）２ （式６）
である。また、より望ましい（式３）で表される条件は、（式４）及び（式５）を利用すると、
Ｃ１０／（２Ｃ１１−Ｃ１０）＝（ＶＧＳ−Ｖｔｈ’）２／（ＶＧＳ−Ｖｔｈ）２ （式７）
のように定まる。
【００２５】
次に、図２に示した回路を使用して核酸の検出を行う手順を図３を参照して説明する。
まず、制御部（図示せず）が、蓄積キャパシタ２１０、２１１に充電をするか否かを切り換える充電用スイッチ２０４及び２０５をオフにする（ステップＳ３０１）。また、センスアンプ２１４を制御するセンスアンプ制御スイッチ２０９をオフにする（ステップＳ３０１）。さらに、初期設定として参照電圧電源２０２を調整し、参照電極２０１と核酸検出用センサ１００のソース１０３との間の電圧を上記の（式６）又は（式７）を満たすようにする（ステップＳ３０１）。
【００２６】
次に、充電用スイッチ２０４、２０５をオンにして、蓄積キャパシタ２１０、２１１に充電用電圧源入力端子２０３を介して充電用電圧を印加する（ステップＳ３０２）。蓄積キャパシタ２１０、２１１には同一の電圧値が印加されるので、同量の電荷が蓄積キャパシタ２１０、２１１に蓄電される。その後、センスアンプ制御スイッチ２０９をオンにして、センスアンプ２１４を作動させる（ステップＳ３０３）。
【００２７】
そして、充電用スイッチ２０４、２０５をオフにし（ステップＳ３０４）、所定の時間経過した後にセンスアンプ２１４が検出する０又は１のディジタル値から核酸検出の有無を判定する。なお、ステップＳ３０３とステップＳ３０４の順序は逆にしても正しく動作する。
【００２８】
次に、図２の回路を変形した一例を図４を参照して説明する。図２に示した部分と同一部分は同一符号を付してその説明を省略する。
図４の変形例では、センスアンプ２１４をｎＭＯＳだけで形成したセンスアンプ４０１を使用する場合である。動作原理は基本的に図２の場合と同様であるが、差動増幅器４０２を追加する必要がある。この回路では、蓄積キャパシタ２１０、２１１が接続された各ノードは、充電用電圧源入力端子２０３から入力される電圧値であるＶｐｒｅと基準電位２０８との間のある電位に収束していく。このノード間の差異を差動増幅器４０２で増幅し、さらに出力増幅器４０３で増幅し、最終的に検出可能な大きさを有する０又は１のディジタル値を出力信号端子４０５から得ることができる。
【００２９】
また、核酸検出用センサ１００をチップ基板上に稠密に配置しておくことにより、濃度の分析も可能となる。検出時間としてｔが与えられた場合、Ｄを核酸分子の拡散定数（１．６×１０−６ｃｍ２／ｓ）とすると、核酸検出用センサ１００の面密度を（Ｄｔ）−１以上にすれば検出時間ｔ以内で核酸分子を検出することができる。言い換えれば、核酸検出用センサ１００の面密度としては、核酸分子の拡散距離を半径とする円の中にＭＯＳＦＥＴの核酸検出用センサ１００が少なくとも１個入るよりも高い密度で検体の液滴が導入される領域に存在するような集積密度で核酸検出用センサ１００のアレイを形成させる。
【００３０】
例えば、核酸検出用センサ１００の面密度を１０６／ｃｍ２でチップ基板上に作成した場合、隣り合うセンサ間の距離は１０μｍ程度となる。このとき、核酸分子の拡散距離を表す尺度ｌとして、
ｌ＝（Ｄｔ）１／２ （式８）
を計算すると、ｔは数秒と計算されるため、少なくとも数分での検出が可能になる。すなわち、数分で核酸分子は多数存在するセンサのいずれかに結合するものと考えられる。もちろん、さらにセンサ数の面密度を高めれば、検出の高速化も期待できる。
【００３１】
この核酸検出用センサ１００を稠密に配置したチップを用いて、高速な定量分析を行うことも可能である。これまで提案された手法としては、特開２００４−３０９４６２公報に記述されているような手法がある。この方法によれば、図５の上段に示すように大きなセンサ面積に多数の核酸プローブ分子が存在しその１部だけが標的核酸分子と結合することによって得られる信号がバックグラウンド信号に埋もれてしまうことを防止するために、図５の中段に示すように面積の小さな電極を用いて、ここに核酸分子が集中して結合するようにすることが提案されている。この方法でも高感度な核酸の検出は可能であるが、感度を高めるために反応時間を長くしなければならないという欠点がある。
【００３２】
一方、本発明の実施形態では、この手法とは異なり、図５の下段に示すように多数のセンサのいずれかに核酸が結合すればよいため、高速化を期待することができる。定量分析をする場合には、ディジタル値によって核酸が検出されたと判定されたセンサの数をカウントする。核酸の濃度が濃ければ濃いほど、核酸を検出したセンサの数が増加する。全核酸検出センサ数に対する核酸を検出した核酸検出センサの数の割合に基づいて、検体中に含まれる標的核酸分子の核酸濃度を推定する。
【００３３】
さらに、多種類の核酸を定量分析する場合には、図６のように、ある塩基配列を持った核酸プローブが固定されたセンサのアレイを複数チップ基板表面上に配置し、ここに検体を導入すればよい。
【００３４】
もちろん、同一種類の核酸プローブ分子１０２をまとめて１箇所に配置する必要は無く、規則正しく並べても、ランダムでも、その面密度が一定であれば核酸の定量分析は可能である。
【００３５】
（本実施形態の変形例）
図２及び図４とは異なり、差動対を利用した場合の核酸検出装置を図７及び図８を参照して説明する。
図７及び図８に示す装置は、差動対を用いて、核酸プローブ分子１０２が取り付けられた核酸検出用センサ１００に含まれるＭＯＳＦＥＴの閾値電圧の変化が生じた否かを判定する回路を含むものである。本実施形態で提供される核酸検出用センサ１００において核酸が検出されたか否かの判定は、この差動対を用いた回路を用いても可能である。すなわち、核酸検出用センサ１００として用いられるＭＯＳＦＥＴとゼロレベル検出用センサ２００として用いられるＭＯＳＦＥＴを差動対の中に配置する。
【００３６】
例えば、図８に示すように参照電極２０１の電位を所定の値に設定することによって生ずる出力電圧そのものを測定するか、あるいは図７に示すように、図８よりも２つ余計にトランジスタを挿入し、これによって形成される電圧フォロア回路のオフセット電圧の変動として核酸の検出を行えばよい。
【００３７】
さらに、例えば、図９に示すように、バックゲートの電位制御も可能にしたダブルゲートＭＯＳ構造の素子を使用しても、核酸プローブ分子１０２が取り付けられた核酸検出用センサ１００に含まれるＭＯＳＦＥＴの閾値電圧の変化が生じた否かを判定することができる。すなわち、参照電極２０１を介して核酸プローブ分子１０２の固定化された核酸検出用センサ１００、およびゼロレベル検出用センサ２００の電位をコントロールし、図７と同様に、電圧フォロア回路のオフセット電圧の変動を測定すればよい。
【００３８】
以上に示した実施形態によれば、検出用センサのＦＥＴのゲート幅をチャネル領域の電子のデバイ長程度以下にして、ゲート長をチャネル領域の電子のデバイ長程度以上にすることにより、感度を飛躍的に向上させることができる。さらには核酸分子１個を非常に高速に検出を可能にすることができる。また、検出用チップ上にこの検出用センサを複数個、稠密に配置することにより、非常に広い範囲の濃度領域での定量分析手法も同時に提供することが可能になる。また、標的核酸の標識や、ＰＣＲ（polymerase chain reaction）等の核酸の増幅を行うことなく、短時間で高精度な測定が可能となる。
【００３９】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の本実施形態にかかる核酸検出チップに複数個配置される核酸検出用センサの１つを示す図。
【図２】図１の核酸検出用センサを使用して核酸を検出する核酸検出装置の一例を示す図。
【図３】図２の核酸検出装置の動作を示すフローチャート。
【図４】図２の変形例である核酸検出装置を示す図。
【図５】定量分析の原理を示す図。
【図６】他種類の核酸を定量分析する場合を示す図。
【図７】図２の変形例であって、差動対を使用する核酸検出装置の一例を示す図。
【図８】図２の変形例であって、差動対を使用する核酸検出装置の図７の別例を示す図。
【図９】図２の変形例であって、ダブルゲートＭＯＳを使用する核酸検出装置の一例を示す図。
【符号の説明】
【００４１】
１００・・・核酸検出用センサ、１０１・・・ゲート、１０２、２１７・・・核酸プローブ分子、１０３・・・ソース、１０４・・・ドレイン、１０５・・・ゲート酸化膜、１０６・・・ＳＯＩ、１０７・・・埋め込み酸化膜（ＢＯＸ）、１０８・・・シリコン基板、１０９・・・標的核酸分子、２００・・・ゼロレベル検出用センサ、２０１・・・参照電極、２０２・・・参照電圧電源、２０３・・・充電用電圧源入力端子、２０４、２０５・・・充電用スイッチ、２０６・・・制御パルス入力端子、２０７・・・電源電圧、２０８・・・基準電位、２０９・・・センスアンプ制御スイッチ、２１０、２１１・・・蓄積キャパシタ、２１２、２１３・・・増幅器、２１４、４０１・・・センスアンプ、２１５、２１６・・・ＭＯＳＦＥＴ、４０２・・・差動増幅器、４０３・・・出力増幅器、４０５・・・出力信号端子。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＦＥＴ（field-effect transistor）を用いて、検体中に含まれる標的核酸分子を検出する核酸検出センサ、核酸検出チップ及び核酸検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ＦＥＴを用い検体中に標的核酸分子が含まれるか否かを検出する核酸分子検出のための核酸検出用センサが存在している（例えば、非特許文献１、特許文献１、２参照）。
【非特許文献１】坂田利弥 他、「遺伝子トランジスタによるＤＮＡハイブリダイゼーションの検出」、第６４回応用物理学会講演会予稿集、Ｐ．１１７９（２００３）
【特許文献１】特開２００３−３２２６３３公報
【特許文献２】特表平２００１−５１１２４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、従来の技術では、ＦＥＴを使って、核酸分子１個レベルの信号を効率的に検出する方法や、広い範囲の濃度領域での定量分析を行う手法は明示されていない。
【０００４】
本発明は、従来の問題点に鑑み、ＦＥＴを用いた核酸検出センサにおいて、感度を飛躍的に向上させる核酸検出センサ、核酸検出チップ及び核酸検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の核酸検出センサによれば、ＦＥＴ（field-effect transistor）の特性変調の強度に基づいて検体中に含まれる特定の配列を有した標的核酸分子を検出するための核酸検出センサにおいて、前記ＦＥＴのゲートに、前記標的核酸分子とハイブリダイゼーションすることが可能なプローブ核酸分子を少なくとも１つ固定化し、ε０を真空の誘電率、εｒをチャネル領域の比誘電率、ｋＢをボルツマン定数、ＴをＦＥＴのチャネル領域の絶対温度、ｅを素電荷、ｎをキャリア密度とすると、前記ＦＥＴのゲート幅が
（ε０εｒｋＢＴ／ｅ２ｎ）１／２
のオーダとなることを特徴とする。
【０００６】
本発明の核酸検出センサによれば、ＦＥＴ（field-effect transistor）の特性変調の強度に基づいて検体中に含まれる特定の配列を有した標的核酸分子を検出するための核酸検出センサにおいて、前記ＦＥＴのゲートに、前記標的核酸分子とハイブリダイゼーションすることが可能なプローブ核酸分子を少なくとも１つ固定化し、ε０を真空の誘電率、εｒをチャネル領域の比誘電率、ｋＢをボルツマン定数、ＴをＦＥＴのチャネル領域の絶対温度、ｅを素電荷、ｎをキャリア密度とすると、前記ＦＥＴのゲート長が
（ε０εｒｋＢＴ／ｅ２ｎ）１／２
のオーダとなることを特徴とする。
【０００７】
本発明の核酸検出チップによれば、ＦＥＴ（field-effect transistor）の特性変調の強度に基づいて検体中に含まれる特定の配列を有した標的核酸分子を検出するための核酸検出センサにおいて、前記ＦＥＴのゲートに、前記標的核酸分子とハイブリダイゼーションすることが可能なプローブ核酸分子を少なくとも１つ固定化し、ε０を真空の誘電率、εｒをチャネル領域の比誘電率、ｋＢをボルツマン定数、ＴをＦＥＴのチャネル領域の絶対温度、ｅを素電荷、ｎをキャリア密度とすると、前記ＦＥＴのゲート幅が
（ε０εｒｋＢＴ／ｅ２ｎ）１／２
のオーダとなる核酸検出センサを複数備える核酸検出チップにおいて、検出時間をｔ、核酸分子の拡散定数をＤ＝１．６×１０−６ｃｍ２／ｓとすると、前記核酸検出チップ上での単位面積当りの前記核酸検出センサの個数が、（Ｄｔ）−１のオーダとなることを特徴とする。
【０００８】
本発明の核酸検出装置によれば、ＦＥＴ（field-effect transistor）の特性変調の強度に基づいて検体中に含まれる特定の配列を有した標的核酸分子を検出するための核酸検出センサにおいて、前記ＦＥＴのゲートに、前記標的核酸分子とハイブリダイゼーションすることが可能なプローブ核酸分子を少なくとも１つ固定化し、ε０を真空の誘電率、εｒをチャネル領域の比誘電率、ｋＢをボルツマン定数、ＴをＦＥＴのチャネル領域の絶対温度、ｅを素電荷、ｎをキャリア密度とすると、前記ＦＥＴのゲート幅が
（ε０εｒｋＢＴ／ｅ２ｎ）１／２
のオーダとなる核酸検出用センサと、前記核酸検出用センサとは、核酸プローブ分子が異なり、検体に含まれる核酸分子とは相補性のない塩基配列を持った核酸プローブ分子がゲートに固定されたゼロレベル検出用センサと、各前記センサのドレイン端子にそれぞれ接続する２つの容量素子と、予め決められた電圧値で充電された各前記容量素子の電荷を各前記センサに含まれるＦＥＴを介して放電し、各前記ＦＥＴからの放電効率の差を増幅するセンスアンプと、前記放電効率の差に基づいて、核酸検出の有無を判定する判定手段を具備することを特徴とする。
【０００９】
本発明の核酸検出装置によれば、ＦＥＴ（field-effect transistor）の特性変調の強度に基づいて検体中に含まれる特定の配列を有した標的核酸分子を検出するための核酸検出センサにおいて、前記ＦＥＴのゲートに、前記標的核酸分子とハイブリダイゼーションすることが可能なプローブ核酸分子を少なくとも１つ固定化し、ε０を真空の誘電率、εｒをチャネル領域の比誘電率、ｋＢをボルツマン定数、ＴをＦＥＴのチャネル領域の絶対温度、ｅを素電荷、ｎをキャリア密度とすると、前記ＦＥＴのゲート幅が
（ε０εｒｋＢＴ／ｅ２ｎ）１／２
のオーダとなる核酸検出用センサと、前記核酸検出用センサとは、核酸プローブ分子が異なり、検体に含まれる核酸分子とは相補性のない塩基配列を持った核酸プローブ分子がゲートに固定されたゼロレベル検出用センサと、各前記センサに含まれるＦＥＴを入力用のトランジスタとして用いる差動対と、前記差動対に対して共通の参照電圧をかけることにより生ずる差動対の出力電圧の大きさに基づいて、核酸検出の有無を判定する判定手段を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の核酸検出センサ、核酸検出チップ及び核酸検出装置によれば、感度を飛躍的に向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態の核酸検出センサ、核酸検出チップ及び核酸検出装置について詳細に説明する。
本発明の本実施形態の核酸検出装置に含まれる核酸検出用センサ１００はＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide semiconductor field-effect transistor）、基板とからなり、ＭＯＳＦＥＴには核酸プローブ（Probe DNA）１０２が通常、複数取り付けられている。ＭＯＳＦＥＴは、ゲート（gate）１０１、ソース（Source）１０３、ドレイン（Drain）１０４からなり、核酸プローブ分子１０２は、ゲート１０１上に取り付けられる。また、図１に示すように、ソース１０３とドレイン１０４とはボディー１０６を介して接続し、ボディー１０６上にはゲート酸化膜１０５を介してゲート１０１が積層されている。また、ソース１０３、ドレイン１０４、ボディー１０６は、埋め込み酸化膜であるＢＯＸ（Buried Oxide）１０７上に形成されている。図１のように、ＳＯＩ(Silicon On Insulator)構造のウェハを使ってセンサ１００を作製することが可能であるが、もちろんバルクＳｉ基板を用いて同等のものを作製可能であることは、当業者に理解されるであろう。
【００１２】
本実施形態の核酸検出装置では、ＭＯＳＦＥＴの電気的特性の変調の強度に基づいて標的核酸分子を検出したか否かを判定する。本実施形態では、ゲート１０１の形状をソース１０３とドレイン１０４を結ぶ方向に細くする（すなわち、ゲート１０１のゲート幅Ｗを細くする）。この場合、ゲート上で生じた少数の電荷数の変化でもMOSFETの電気的特性の変調が大きく生ずるため、少数の標的核酸分子の検出も可能となる。
【００１３】
さらに、本実施形態では、このＭＯＳＦＥＴのチャネルの長さ（すなわち、図１のゲート長Ｌ）をゲート幅Ｗと同等若しくはＷ以上に長くする。この場合、核酸プローブ分子１０２がゲート長の方向（すなわち、ソース１０３とドレイン１０４を結ぶ方向）に多数固定化されるため、ゲート長の方向のどの位置で核酸プローブ分子１０２と標的核酸分子１０９との結合が起こっても、確実にＭＯＳＦＥＴの変調を誘起することができるようになる。すなわち、多数の核酸プローブ分子１０２による信号の論理和を取ることと等価な演算をすることになる。また、分析される検体の液滴が接触するチップの表面内に、稠密に配置されることにより、多数のプローブのうちのいずれかに結合する確率が高まるため、検体溶液中に少数しか存在しない核酸分子でも迅速に検出することが可能となる。
【００１４】
さらに具体的に、ゲート１０１のゲート長及びゲート幅をどの程度に設定するかを説明する。あるプローブ核酸分子１０２において標的核酸分子１０９の結合が起こると、このゲート１０１側で起きた電荷数の変動は、ゲート酸化膜１０６を介して静電気的にチャネル中の荷電状態の変動を誘起する。いま、ボディー１０６のうちの、チャネルの形成される領域におけるキャリアのデバイ長は、
（ε０εｒｋＢＴ／ｅ２ｎ）１／２ （式１）
で与えられる。ここで、ε０は真空の誘電率、εｒはチャネル領域の比誘電率、ｋＢはボルツマン定数、Ｔはチャネル領域の絶対温度、ｅは素電荷、ｎはキャリア密度を示す。ゲート側での１価の電荷の変動に際し、チャネル中において(式１)で与えられる半径内部の領域では荷電状態が大きく変動することが期待される。
【００１５】
よって、（式１）により算出される拡散距離と同等のゲート１０１のゲート幅及びゲート長を決定すれば、少数の標的核酸分子によって大きなＦＥＴの特性変調が得られるものと考えられる。すなわち、ゲート幅は（式１）により算出される長さのオーダとし、ゲート長も（式１）により算出される長さとする。すなわち、ゲート幅、ゲート長は、（式１）により算出される長さと同じ桁数程度（すなわち、せいぜい１０倍若しくは１／１０程度）の長さに設定される。より好ましくは、ゲート幅は（式１）により算出される長さのオーダとなるようにし、ゲート長はこのゲート幅の長さよりも長くなるようにする。
【００１６】
本実施形態においては、通常のＭＯＳＦＥＴと同等のキャリア密度を持った材料を仮定すると（式１）により算出される長さは約５０ｎｍになるので、この長さを利用して、例えば、ゲート幅を５０ｎｍとする。ゲート幅は、１００ｎｍ程度でも問題はないが、より好ましくは５０ｎｍ程度若しくはそれ以下の長さである。一方、ゲート長は、ゲート幅と同等かそれより長く設定するので、５０ｎｍ程度若しくはそれ以上の長さである。
【００１７】
また、核酸分子の直径はおよそ２ｎｍであるため、核酸プローブ分子１０２を稠密にゲート幅５０ｎｍのゲート１０１上に貼り付けた場合、核酸プローブ分子１０２はチャネルに垂直な方向に２５個程度ずつ配置されることになる。長さが２０塩基対程度の核酸プローブ分子１０２に対し同程度の標的核酸分子１０９が核酸プローブ分子１０２のうちの１つに結合すると、塩基対数と同等の電荷の変化が生じる。この電荷の変化により物理的な特性変化（例えば、ＭＯＳＦＥＴの閾値電圧の変化）は大きく現れるものと期待される。
【００１８】
また、核酸検出用センサ１００はチップ上に複数個配置される。チップ上に核酸検出用センサ１００がどのように配置されるかによって、標的核酸分子を検出する精度が変化する。例えば、分析される検体の液滴が接触するチップの表面内に、核酸検出用センサ１００を稠密に配置することにより、多数のプローブのうちのいずれかに結合する確率が高まるため、検体溶液中に少数しか存在しない核酸分子でも迅速に検出することが可能となる。より好ましくは、このセンサアレイの集積密度は、核酸分子の拡散距離よりも短い間隔でセンサが配置されるように決められる。さらに、標的核酸分子を検出したセンサの個数を集計することにより、標的核酸分子の濃度、あるいは標的核酸分子の分子数を推定することも可能となる。この配置の詳細は後に図５及び図６を参照して説明する。
【００１９】
次に、上述した核酸検出用センサ１００を使用して、標的核酸分子１０９と核酸プローブ分子１０２との結合により誘起されるMOSFETの電気的特性の変調を検出するための核酸検出装置を説明する。この変調は、例えば、閾値電圧値の変動として現れるので、核酸検出装置はこの閾値電圧値の変動を検出することになる。本実施形態では、以下に示すように、この物理現象を検出するための核酸検出装置を２種類提供する。１つは標的核酸分子１０９を検出したか否かをディジタル信号に直接変換して出力するタイプの装置（図２、図４）であり、もう１つは閾値電圧値の変動をアナログ電圧値として出力するタイプの装置（図７，８，９）である。これらの装置の特徴は、標的核酸分子１０９と相補的な塩基配列を持たない核酸プローブ分子を固定したゼロレベル検出用のセンサと核酸検出用センサ１００とを比較しつつ判定を行うことである。この特徴により、標的核酸分子１０９の検出精度を向上することができる。
【００２０】
次に、図１に示した核酸検出用センサ１００を使用して核酸を検出する核酸検出装置の一例を図２を参照して説明する。図２は、クロスカップルドインバータを利用した核酸検出装置の例である。
【００２１】
図２の核酸検出装置は、参照電極２０１、参照電圧電源２０２、充電用電圧源入力端子２０３、充電用スイッチ２０４、２０５、制御パルス入力端子２０６、電源電圧２０７、基準電位２０８、センスアンプ制御スイッチ２０９、蓄積キャパシタ２１０、２１１、出力信号増幅器２１２、２１３、センスアンプ２１４、核酸検出用センサ１００に含まれるＭＯＳＦＥＴ２１５、核酸検出用センサ２００に含まれる２１６、核酸プローブ分子２１７、核酸検出用センサ２００からなる。
【００２２】
図２に示す装置は、核酸プローブ分子１０２が取り付けられた核酸検出用センサ１００に含まれるＭＯＳＦＥＴの閾値電圧の変化が生じたか否かを判定する回路を含むものである。この回路は、フラッシュメモリの読み出し用回路に使われるものと同等の回路であり、フラッシュメモリに用いられるフローティングゲートを有するＭＯＳＦＥＴに相当する部分に核酸検出用のＭＯＳＦＥＴを用いている。また、この回路は、ＭＯＳＦＥＴの表面電位を制御するための参照電極を含んでいる。この核酸検出装置では、参照電極２０１に表面電位を制御される核酸検出用センサ１００は標的核酸分子１０９を結合することが可能な核酸検出用ＭＯＳＦＥＴであり、このセンサと対になる核酸検出用センサ２００は標的核酸分子１０９を結合することができない核酸プローブ分子２１７を取り付けているゼロレベル検出用センサである。ゼロレベル検出用センサ２００は、核酸プローブ分子１０２の代わりに核酸プローブ分子２１７を取り付けていること以外は核酸検出用センサ１００と同様である。
【００２３】
図２の回路では、センスアンプ２１４が、核酸検出用センサ１００上への核酸結合の有無により変化するＭＯＳＦＥＴの閾値電圧の変動の結果として変動する飽和電流の大きさが決定するキャパシタ２１０の放電時間を、ゼロレベル検出用センサ２００の閾値電圧値によって決定するキャパシタ２１０の放電時間と比較する。センスアンプ２１４は、核酸検出用センサ１００とゼロレベル検出用センサ２００とのどちらのセンサが先に電圧を下げるかを感受して、各センサの電圧値の相手に対する高低を出力する。すなわち、センスアンプ２１４は各センサに対応して１、０のディジタル値で出力する。出力された信号は、判定しやすい大きさまで、増幅器２１２、２１３によって増幅される。
核酸検出用センサ１００における核酸検出の有無を０、１のディジタル値に対応させるために、蓄積キャパシタ２１０と蓄積キャパシタ２１１との比は、核酸検出用センサ２００の放電時間が、核酸検出用センサ１００に標的核酸分子１０９が結合した場合としなかった場合の両放電時間のちょうど半分になるように予め設定される。また、放電時間は参照電極電位に依存するので、参照電圧電源２０２も予め設定されなければならない。すなわち、図２の回路を動作させるにあたっては、予め、以下のパラメータを決めておく必要がある。
（１）蓄積キャパシタ２１０と蓄積キャパシタ２１１のキャパシタンスの比
（２）基準電位２０８に対して参照電極２０１の電位を決める参照電圧電源２０２の電圧値
（１）をより詳細に述べると、ハイブリダイゼーション（hybridization、二本鎖形成）が検出される場合の蓄積キャパシタ２１０の放電時間の時定数をτ１’、ハイブリダイゼーションが検出されない場合の蓄積キャパシタ２１０の放電時間の時定数をτ１、蓄積キャパシタ２１１の放電時間の時定数をτ２とおくと、
τ１’＜τ２＜τ１ （式２）
が成立すべきである。ただし、この（式２）は核酸検出用センサ１００のＭＯＳＦＥＴがｎ型でありハイブリダイゼーションによりＭＯＳＦＥＴの閾値電圧値が正の電荷を帯びた挿入剤等の効果により減少する場合を仮定している。挿入剤を用いない場合はｎ型ＭＯＳＦＥＴの閾値は上がることになるため、（式２）の不等号は逆符号となる。さらに好ましくは、τ２がτ１及びτ１’の中間値、
τ２＝（τ１＋τ１’）／２ （式３）
となるように設定するのが望ましい。
【００２４】
これらの（式２）及び（式３）をキャパシタンスの比に換算する。いま、核酸検出用センサ１００とゼロレベル検出用センサ２００のＭＯＳＦＥＴが飽和領域で動作していると仮定すると、核酸検出用センサ１００を流れる電流は、
ｉ＝μＣＷ（ＶＧＳ−Ｖｔｈ）２／Ｌ （式４）
と表される。ここで、ＣはＭＯＳＦＥＴ酸化膜の容量、μは表面チャネル移動度、Ｗはゲート幅、Ｌはゲート長、ＶＧＳはゲート・ソース間、すなわちここでは参照電極３とソース１０３の間の電圧を示す。ＶｔｈはＭＯＳＦＥＴの閾値電圧値を示すが、この閾値電圧値はハイブリダイゼーションを生じている場合であるか否かで変動する。ハイブリダイゼーションが検出される場合の閾値電圧値をＶｔｈ’、検出されない場合の閾値電圧値をＶｔｈとし、それぞれの電圧値に対応する電流をｉ’、ｉとすると、τ’１，τ１，τ２はそれぞれ近似的に、
τ１’＝Ｃ１０Ｖｐｒｅ／ｉ’
τ１ ＝Ｃ１０Ｖｐｒｅ／ｉ （式５）
τ２ ＝Ｃ１１Ｖｐｒｅ／ｉ
と表現される。ここで、Ｃ１０、Ｃ１１はそれぞれ蓄積キャパシタ２１０、蓄積キャパシタ２１１の容量を表し、ＶＰｒｅは充電用電圧源入力端子２０３から入力される電圧値を示す。（式２）に（式４）、（式５）を代入することにより、Ｃ１０とＣ１１が満たすべき条件は次のように定まる。すなわち、
１＜Ｃ１０／Ｃ１１＜（ＶＧＳ−Ｖｔｈ’）２／（ＶＧＳ−Ｖｔｈ）２ （式６）
である。また、より望ましい（式３）で表される条件は、（式４）及び（式５）を利用すると、
Ｃ１０／（２Ｃ１１−Ｃ１０）＝（ＶＧＳ−Ｖｔｈ’）２／（ＶＧＳ−Ｖｔｈ）２ （式７）
のように定まる。
【００２５】
次に、図２に示した回路を使用して核酸の検出を行う手順を図３を参照して説明する。
まず、制御部（図示せず）が、蓄積キャパシタ２１０、２１１に充電をするか否かを切り換える充電用スイッチ２０４及び２０５をオフにする（ステップＳ３０１）。また、センスアンプ２１４を制御するセンスアンプ制御スイッチ２０９をオフにする（ステップＳ３０１）。さらに、初期設定として参照電圧電源２０２を調整し、参照電極２０１と核酸検出用センサ１００のソース１０３との間の電圧を上記の（式６）又は（式７）を満たすようにする（ステップＳ３０１）。
【００２６】
次に、充電用スイッチ２０４、２０５をオンにして、蓄積キャパシタ２１０、２１１に充電用電圧源入力端子２０３を介して充電用電圧を印加する（ステップＳ３０２）。蓄積キャパシタ２１０、２１１には同一の電圧値が印加されるので、同量の電荷が蓄積キャパシタ２１０、２１１に蓄電される。その後、センスアンプ制御スイッチ２０９をオンにして、センスアンプ２１４を作動させる（ステップＳ３０３）。
【００２７】
そして、充電用スイッチ２０４、２０５をオフにし（ステップＳ３０４）、所定の時間経過した後にセンスアンプ２１４が検出する０又は１のディジタル値から核酸検出の有無を判定する。なお、ステップＳ３０３とステップＳ３０４の順序は逆にしても正しく動作する。
【００２８】
次に、図２の回路を変形した一例を図４を参照して説明する。図２に示した部分と同一部分は同一符号を付してその説明を省略する。
図４の変形例では、センスアンプ２１４をｎＭＯＳだけで形成したセンスアンプ４０１を使用する場合である。動作原理は基本的に図２の場合と同様であるが、差動増幅器４０２を追加する必要がある。この回路では、蓄積キャパシタ２１０、２１１が接続された各ノードは、充電用電圧源入力端子２０３から入力される電圧値であるＶｐｒｅと基準電位２０８との間のある電位に収束していく。このノード間の差異を差動増幅器４０２で増幅し、さらに出力増幅器４０３で増幅し、最終的に検出可能な大きさを有する０又は１のディジタル値を出力信号端子４０５から得ることができる。
【００２９】
また、核酸検出用センサ１００をチップ基板上に稠密に配置しておくことにより、濃度の分析も可能となる。検出時間としてｔが与えられた場合、Ｄを核酸分子の拡散定数（１．６×１０−６ｃｍ２／ｓ）とすると、核酸検出用センサ１００の面密度を（Ｄｔ）−１以上にすれば検出時間ｔ以内で核酸分子を検出することができる。言い換えれば、核酸検出用センサ１００の面密度としては、核酸分子の拡散距離を半径とする円の中にＭＯＳＦＥＴの核酸検出用センサ１００が少なくとも１個入るよりも高い密度で検体の液滴が導入される領域に存在するような集積密度で核酸検出用センサ１００のアレイを形成させる。
【００３０】
例えば、核酸検出用センサ１００の面密度を１０６／ｃｍ２でチップ基板上に作成した場合、隣り合うセンサ間の距離は１０μｍ程度となる。このとき、核酸分子の拡散距離を表す尺度ｌとして、
ｌ＝（Ｄｔ）１／２ （式８）
を計算すると、ｔは数秒と計算されるため、少なくとも数分での検出が可能になる。すなわち、数分で核酸分子は多数存在するセンサのいずれかに結合するものと考えられる。もちろん、さらにセンサ数の面密度を高めれば、検出の高速化も期待できる。
【００３１】
この核酸検出用センサ１００を稠密に配置したチップを用いて、高速な定量分析を行うことも可能である。これまで提案された手法としては、特開２００４−３０９４６２公報に記述されているような手法がある。この方法によれば、図５の上段に示すように大きなセンサ面積に多数の核酸プローブ分子が存在しその１部だけが標的核酸分子と結合することによって得られる信号がバックグラウンド信号に埋もれてしまうことを防止するために、図５の中段に示すように面積の小さな電極を用いて、ここに核酸分子が集中して結合するようにすることが提案されている。この方法でも高感度な核酸の検出は可能であるが、感度を高めるために反応時間を長くしなければならないという欠点がある。
【００３２】
一方、本発明の実施形態では、この手法とは異なり、図５の下段に示すように多数のセンサのいずれかに核酸が結合すればよいため、高速化を期待することができる。定量分析をする場合には、ディジタル値によって核酸が検出されたと判定されたセンサの数をカウントする。核酸の濃度が濃ければ濃いほど、核酸を検出したセンサの数が増加する。全核酸検出センサ数に対する核酸を検出した核酸検出センサの数の割合に基づいて、検体中に含まれる標的核酸分子の核酸濃度を推定する。
【００３３】
さらに、多種類の核酸を定量分析する場合には、図６のように、ある塩基配列を持った核酸プローブが固定されたセンサのアレイを複数チップ基板表面上に配置し、ここに検体を導入すればよい。
【００３４】
もちろん、同一種類の核酸プローブ分子１０２をまとめて１箇所に配置する必要は無く、規則正しく並べても、ランダムでも、その面密度が一定であれば核酸の定量分析は可能である。
【００３５】
（本実施形態の変形例）
図２及び図４とは異なり、差動対を利用した場合の核酸検出装置を図７及び図８を参照して説明する。
図７及び図８に示す装置は、差動対を用いて、核酸プローブ分子１０２が取り付けられた核酸検出用センサ１００に含まれるＭＯＳＦＥＴの閾値電圧の変化が生じた否かを判定する回路を含むものである。本実施形態で提供される核酸検出用センサ１００において核酸が検出されたか否かの判定は、この差動対を用いた回路を用いても可能である。すなわち、核酸検出用センサ１００として用いられるＭＯＳＦＥＴとゼロレベル検出用センサ２００として用いられるＭＯＳＦＥＴを差動対の中に配置する。
【００３６】
例えば、図８に示すように参照電極２０１の電位を所定の値に設定することによって生ずる出力電圧そのものを測定するか、あるいは図７に示すように、図８よりも２つ余計にトランジスタを挿入し、これによって形成される電圧フォロア回路のオフセット電圧の変動として核酸の検出を行えばよい。
【００３７】
さらに、例えば、図９に示すように、バックゲートの電位制御も可能にしたダブルゲートＭＯＳ構造の素子を使用しても、核酸プローブ分子１０２が取り付けられた核酸検出用センサ１００に含まれるＭＯＳＦＥＴの閾値電圧の変化が生じた否かを判定することができる。すなわち、参照電極２０１を介して核酸プローブ分子１０２の固定化された核酸検出用センサ１００、およびゼロレベル検出用センサ２００の電位をコントロールし、図７と同様に、電圧フォロア回路のオフセット電圧の変動を測定すればよい。
【００３８】
以上に示した実施形態によれば、検出用センサのＦＥＴのゲート幅をチャネル領域の電子のデバイ長程度以下にして、ゲート長をチャネル領域の電子のデバイ長程度以上にすることにより、感度を飛躍的に向上させることができる。さらには核酸分子１個を非常に高速に検出を可能にすることができる。また、検出用チップ上にこの検出用センサを複数個、稠密に配置することにより、非常に広い範囲の濃度領域での定量分析手法も同時に提供することが可能になる。また、標的核酸の標識や、ＰＣＲ（polymerase chain reaction）等の核酸の増幅を行うことなく、短時間で高精度な測定が可能となる。
【００３９】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の本実施形態にかかる核酸検出チップに複数個配置される核酸検出用センサの１つを示す図。
【図２】図１の核酸検出用センサを使用して核酸を検出する核酸検出装置の一例を示す図。
【図３】図２の核酸検出装置の動作を示すフローチャート。
【図４】図２の変形例である核酸検出装置を示す図。
【図５】定量分析の原理を示す図。
【図６】他種類の核酸を定量分析する場合を示す図。
【図７】図２の変形例であって、差動対を使用する核酸検出装置の一例を示す図。
【図８】図２の変形例であって、差動対を使用する核酸検出装置の図７の別例を示す図。
【図９】図２の変形例であって、ダブルゲートＭＯＳを使用する核酸検出装置の一例を示す図。
【符号の説明】
【００４１】
１００・・・核酸検出用センサ、１０１・・・ゲート、１０２、２１７・・・核酸プローブ分子、１０３・・・ソース、１０４・・・ドレイン、１０５・・・ゲート酸化膜、１０６・・・ＳＯＩ、１０７・・・埋め込み酸化膜（ＢＯＸ）、１０８・・・シリコン基板、１０９・・・標的核酸分子、２００・・・ゼロレベル検出用センサ、２０１・・・参照電極、２０２・・・参照電圧電源、２０３・・・充電用電圧源入力端子、２０４、２０５・・・充電用スイッチ、２０６・・・制御パルス入力端子、２０７・・・電源電圧、２０８・・・基準電位、２０９・・・センスアンプ制御スイッチ、２１０、２１１・・・蓄積キャパシタ、２１２、２１３・・・増幅器、２１４、４０１・・・センスアンプ、２１５、２１６・・・ＭＯＳＦＥＴ、４０２・・・差動増幅器、４０３・・・出力増幅器、４０５・・・出力信号端子。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＦＥＴ（field-effect transistor）の特性変調の強度に基づいて検体中に含まれる特定の配列を有した標的核酸分子を検出するための核酸検出センサにおいて、
前記ＦＥＴのゲートに、前記標的核酸分子とハイブリダイゼーションすることが可能なプローブ核酸分子を少なくとも１つ固定化し、
ε０を真空の誘電率、εｒをチャネル領域の比誘電率、ｋＢをボルツマン定数、ＴをＦＥＴのチャネル領域の絶対温度、ｅを素電荷、ｎをキャリア密度とすると、前記ＦＥＴのゲート幅が
（ε０εｒｋＢＴ／ｅ２ｎ）１／２
のオーダとなることを特徴とする核酸検出センサ。
【請求項２】
前記ＦＥＴのゲート長は、前記ＦＥＴのゲート幅と同様のオーダであり、かつ、前記ゲート幅よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の核酸検出センサ。
【請求項３】
ＦＥＴ（field-effect transistor）の特性変調の強度に基づいて検体中に含まれる特定の配列を有した標的核酸分子を検出するための核酸検出センサにおいて、
前記ＦＥＴのゲートに、前記標的核酸分子とハイブリダイゼーションすることが可能なプローブ核酸分子を少なくとも１つ固定化し、
ε０を真空の誘電率、εｒをチャネル領域の比誘電率、ｋＢをボルツマン定数、ＴをＦＥＴのチャネル領域の絶対温度、ｅを素電荷、ｎをキャリア密度とすると、前記ＦＥＴのゲート長が
（ε０εｒｋＢＴ／ｅ２ｎ）１／２
のオーダとなることを特徴とする核酸検出センサ。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の核酸検出センサを複数備える核酸検出チップにおいて、
検出時間をｔ、核酸分子の拡散定数をＤ＝１．６×１０−６ｃｍ２／ｓとすると、前記核酸検出チップ上での単位面積当りの前記核酸検出センサの個数が、
１／Ｄｔ
のオーダかそれ以上となることを特徴とする核酸検出チップ。
【請求項５】
全核酸検出センサ数に対する核酸を検出した核酸検出センサの数の割合に基づいて、前記検体中に含まれる標的核酸分子の核酸濃度を推定することを特徴とする請求項４に記載の核酸検出チップ。
【請求項６】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の核酸検出用センサと、
前記核酸検出用センサとは、核酸プローブ分子が異なり、検体に含まれる核酸分子とは相補性のない塩基配列を持った核酸プローブ分子がゲートに固定されたゼロレベル検出用センサと、
各前記センサのドレイン端子にそれぞれ接続する２つの容量素子と、
予め決められた電圧値で充電された各前記容量素子の電荷を各前記センサに含まれるＦＥＴを介して放電し、その際の各前記ＦＥＴからの放電効率の差を増幅するセンスアンプと、
前記放電効率の差に基づいて、核酸検出の有無を判定する判定手段を具備することを特徴とする核酸検出装置。
【請求項７】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の核酸検出用センサと、
前記核酸検出用センサとは、核酸プローブ分子が異なり、検体に含まれる核酸分子とは相補性のない塩基配列を持った核酸プローブ分子がゲートに固定されたゼロレベル検出用センサと、
各前記センサに含まれるＦＥＴを入力用のトランジスタとして用いる差動対と、
前記差動対に対して共通の参照電圧をかけることにより生ずる差動対の出力電圧の大きさに基づいて、核酸検出の有無を判定する判定手段を具備することを特徴とする核酸検出装置。
【請求項８】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の核酸検出センサを複数備える核酸検出チップにおいて、
検出時間をｔ、核酸分子の拡散定数をＤとすると、前記核酸検出チップ上での単位面積当りの前記核酸検出センサの個数が、
１／Ｄｔ
のオーダかそれ以上となることを特徴とする核酸検出チップ。
【請求項１】
ＦＥＴ（field-effect transistor）の特性変調の強度に基づいて検体中に含まれる特定の配列を有した標的核酸分子を検出するための核酸検出センサにおいて、
前記ＦＥＴのゲートに、前記標的核酸分子とハイブリダイゼーションすることが可能なプローブ核酸分子を少なくとも１つ固定化し、
ε０を真空の誘電率、εｒをチャネル領域の比誘電率、ｋＢをボルツマン定数、ＴをＦＥＴのチャネル領域の絶対温度、ｅを素電荷、ｎをキャリア密度とすると、前記ＦＥＴのゲート幅が
（ε０εｒｋＢＴ／ｅ２ｎ）１／２
のオーダとなることを特徴とする核酸検出センサ。
【請求項２】
前記ＦＥＴのゲート長は、前記ＦＥＴのゲート幅と同様のオーダであり、かつ、前記ゲート幅よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の核酸検出センサ。
【請求項３】
ＦＥＴ（field-effect transistor）の特性変調の強度に基づいて検体中に含まれる特定の配列を有した標的核酸分子を検出するための核酸検出センサにおいて、
前記ＦＥＴのゲートに、前記標的核酸分子とハイブリダイゼーションすることが可能なプローブ核酸分子を少なくとも１つ固定化し、
ε０を真空の誘電率、εｒをチャネル領域の比誘電率、ｋＢをボルツマン定数、ＴをＦＥＴのチャネル領域の絶対温度、ｅを素電荷、ｎをキャリア密度とすると、前記ＦＥＴのゲート長が
（ε０εｒｋＢＴ／ｅ２ｎ）１／２
のオーダとなることを特徴とする核酸検出センサ。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の核酸検出センサを複数備える核酸検出チップにおいて、
検出時間をｔ、核酸分子の拡散定数をＤ＝１．６×１０−６ｃｍ２／ｓとすると、前記核酸検出チップ上での単位面積当りの前記核酸検出センサの個数が、
１／Ｄｔ
のオーダかそれ以上となることを特徴とする核酸検出チップ。
【請求項５】
全核酸検出センサ数に対する核酸を検出した核酸検出センサの数の割合に基づいて、前記検体中に含まれる標的核酸分子の核酸濃度を推定することを特徴とする請求項４に記載の核酸検出チップ。
【請求項６】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の核酸検出用センサと、
前記核酸検出用センサとは、核酸プローブ分子が異なり、検体に含まれる核酸分子とは相補性のない塩基配列を持った核酸プローブ分子がゲートに固定されたゼロレベル検出用センサと、
各前記センサのドレイン端子にそれぞれ接続する２つの容量素子と、
予め決められた電圧値で充電された各前記容量素子の電荷を各前記センサに含まれるＦＥＴを介して放電し、その際の各前記ＦＥＴからの放電効率の差を増幅するセンスアンプと、
前記放電効率の差に基づいて、核酸検出の有無を判定する判定手段を具備することを特徴とする核酸検出装置。
【請求項７】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の核酸検出用センサと、
前記核酸検出用センサとは、核酸プローブ分子が異なり、検体に含まれる核酸分子とは相補性のない塩基配列を持った核酸プローブ分子がゲートに固定されたゼロレベル検出用センサと、
各前記センサに含まれるＦＥＴを入力用のトランジスタとして用いる差動対と、
前記差動対に対して共通の参照電圧をかけることにより生ずる差動対の出力電圧の大きさに基づいて、核酸検出の有無を判定する判定手段を具備することを特徴とする核酸検出装置。
【請求項８】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の核酸検出センサを複数備える核酸検出チップにおいて、
検出時間をｔ、核酸分子の拡散定数をＤとすると、前記核酸検出チップ上での単位面積当りの前記核酸検出センサの個数が、
１／Ｄｔ
のオーダかそれ以上となることを特徴とする核酸検出チップ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００６−１３８８４６（Ｐ２００６−１３８８４６Ａ）
【公開日】平成１８年６月１日（２００６．６．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３００５４６（Ｐ２００５−３００５４６）
【出願日】平成１７年１０月１４日（２００５．１０．１４）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年６月１日（２００６．６．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１０月１４日（２００５．１０．１４）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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